(57)【要約】  指向性が高い偏光光を出射することができないという問題を解決することが可能な光源ユニットを提供する。  活性層１２Ｂは、光を発生する。反射層１１は、活性層１２Ｂからの光を反射する。開口アレイ層１３は、活性層１２Ｂに対して反射層１１の反対側に設けられる。また、開口アレイ層１３は、活性層１２Ｂからの光を反射するミラー部１３Ａと、その光のうち所定の偏光方向の偏光成分の光を透過し、その所定の偏光方向と直交する偏光成分の光を反射する開口部１３Ｂとを有する。角度変換部１４は、開口部１３Ｂを透過した光の進行方向を変換する。
2011145504.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を発生させる発光層と、
前記発光層で発生した光を反射する反射層と、
前記発光層で発生した光を反射するミラー部と、前記発光層で発生した光のうちの所定の偏光方向の偏光成分の光を透過させ、当該所定の偏光方向と直交する偏光成分の光を反射する複数の開口部とを有し、前記発光層に対して前記反射層の反対側に設けられた開口アレイ層と、
前記開口部を透過した光の進行方向を変換して出射する方向変換部と、を含む光源ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の光源ユニットにおいて、
前記方向変換部は、前記複数の開口部にそれぞれ対応した複数のレンズを有するレンズアレイであり、
前記複数の開口部のそれぞれは、自身と対応したレンズの焦点位置に配置されている、光源ユニット。
【請求項３】
請求項１に記載の光源ユニット１において、
前記方向変換部は、前記複数の開口部にそれぞれ対応した複数のテーパー円柱を有するテーパー円柱アレイであり、
前記複数の開口部のそれぞれは、自身と対応したテーパー円柱の中心を通る直線上に配置されている、光源ユニット。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口アレイ層は、基板層と金属層とから形成され、
前記ミラー部における前記基板層及び前記金属層の材料および厚さは、それぞれ前記開口部における前記基板層及び前記金属層の材料および厚さと同じである、光源ユニット。
【請求項５】
請求項４に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口部における前記金属層では、金属膜が当該金属層の面内の１次元方向に周期的に配置されている、光源ユニット。
【請求項６】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口アレイ層は、誘電体多層膜で形成され、
前記ミラー部における前記誘電体多層膜の各層の材料および厚さは、前記開口部における前記誘電体多層膜の各層の材料および厚さと同じである、光源ユニット。
【請求項７】
請求項６に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口部における前記誘電体多層膜の各層は、当該各層の面内における一次元の周期的な凹凸構造を有する、光源ユニット。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口アレイ層と前記発光層との間に間隙が設けられている、光源ユニット。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口アレイ層と前記反射層との間に、光の進行方向を変化させる角度変換構造を備える、光源ユニット。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記開口アレイ層と前記反射層との間に、光を透過し、当該透過した光の偏光状態を変化させる偏光変換層を備える、光源ユニット。
【請求項１１】
請求項１０に記載の光源ユニットにおいて、
前記偏光変換層は、波長板である、光源ユニット。
【請求項１２】
請求項１０に記載の光源ユニットにおいて、
前記偏光変換層は、前記透過した光を無偏光の光に変換する偏光解消板である、光源ユニット。
【請求項１３】
請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光源ユニットにおいて、
前記発光層は蛍光体である、光源ユニット。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光源ユニットと、
前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を含む画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源ユニットおよび画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタは、通常、光源ユニットからの出射光を、空間光変調素子を用いて変調してスクリーンに投射している。【０００３】
光源ユニットとして発光ダイオード（ＬＥＤ：Light  Emitting  Diode）や有機ＥＬ（Organic  Electro-Luminescence）を用いた場合、通常、光源ユニットから出射される光の発光強度分布はランバート分布となる。ここで、ランバート分布とは、発光強度の観測角に対する分布が、観測角のコサイン（余弦）に比例している発光強度分布のことである。光源ユニットからの出射光のうち、所定の角度以上の角度で出射される角度成分は、空間光変調素子に入射されずに損失となるため、プロジェクタでは、ランバート分布に比べて光源ユニットからの光の利用効率を高くするために、指向性の高い光源ユニットが望まれている。【０００４】
また、空間光変調素子としては、通常、液晶ＬＶ（light  valve：ライトバルブ）などの偏光依存性を有する素子が用いられる。この場合、光源ユニットからの出射光のうち、所定の偏光方向と直交する偏光成分は、空間光変調素子で変調されずに損失となるため、プロジェクタでは、光源ユニットからの光の利用効率を高くするために、偏光光を出射する光源ユニットが望まれている。【０００５】
特許文献１には、指向性の高い光源装置が記載されている。この光源装置は、発光部に電流を供給する第１の電極と第２の電極とを有する固体発光素子と、その固体発光素子から出射した光の角度変換を行う角度変換部とを含む。【０００６】
第１の電極は、発光部から出射した光を第２の電極の方向へ反射する。そして、第２の電極は、発光部からの光を出射するための開口部を備える。角度変換部は、その開口部から出射された光を所定方向へ導くように角度変換して出射する。これにより、光源装置からの光は所定の方向に出射されるので、光源装置から出射される光の指向性が高くなる。【０００７】
また、特許文献２には、偏光光を出射する発光素子が記載されている。この発光素子は、基準面上に設けられた発光部と、発光部の出射側に設けられた光学的な構造体とを有する。その構造体は、第１の振動方向の偏光光を透過し、第１の振動方向の偏光光に略直交する第２の振動方向の偏光光を反射する反射型偏光板と、その反射型偏光板からの光を透過し、基準面に略平行な二次元方向に対して、屈折率が周期的に変化するように形成された光学部とを有する。【０００８】
特許文献２の記載の発光素子では、反射型偏光板で反射された第２の振動方向の偏光光を、第１の振動方向の偏光光に変換した後、再び反射型偏光板へ入射させることにより、出射光を効率良く偏光光とすることができる。さらに光学部を設けることにより、発光部からの光の外部取り出し効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１６５４２３号公報
【特許文献２】特開２００７−１０９６８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１に記載の固体発光素子は、出射光の指向性が高いものの、出射光が偏光されていない無偏光光となる。一方、特許文献２に記載の発光素子は、出射光を偏光光とすることができるが、出射光の指向性が低い。したがって、特許文献１および２に記載の発明では、指向性の高い偏光光を出射することができないという問題があった。【００１１】
本発明の目的は、上記の課題である、指向性が高い偏光光を出射することができないという問題を解決することが可能な光源ユニットおよび、この光源ユニットを用いた画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明による光源ユニットは、光を発生させる発光層と、前記発光層で発生した光を反射する反射層と、前記発光層で発生した光を反射するミラー部と、前記発光層で発生した光のうちの所定の偏光方向の偏光成分の光を透過させ、当該所定の偏光方向と直交する偏光成分の光を反射する複数の開口部とを有し、前記発光層に対して前記反射層の反対側に設けられた開口アレイ層と、前記開口部を透過した光の進行方向を変換して出射する方向変換部と、を含む。【００１３】
また、本発明による画像表示装置は、上記の光源ユニットと、前記光源ユニットから出射された光を映像信号に応じて変調して、当該映像信号に応じた画像を表示する表示部と、を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、指向性の高い偏光光を出射することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の第一の実施形態の画像表示装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明の第一の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図３】開口アレイ層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図４】開口アレイ層の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図５】開口アレイ層の構成を模式的に示す斜視図である。
【図６】開口アレイ層の構成を模式的に示す縦断面図である。
【図７】本発明の第二の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の第三の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の第四の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図１０】本発明の第五の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図１１】本発明の第六の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図１２】本発明の第七の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。
【図１３】開口部における透過率の入射角依存性の一例を示す図である。
【図１４】開口部における透過率の入射角依存性の他の例を示す図である。
【図１５】ミラー部における透過率の入射角依存性の一例を示す図である。
【図１６】ミラー部における透過率の波長依存性の一例を示す図である。
【図１７】開口部における透過率の波長依存性の一例を示す図である。
【図１８】開口部における透過率の入射角依存性の一例を示す図である。
【図１９】開口部における透過率の入射角依存性の他の例を示す図である。
【図２０】ミラー部における透過率の入射角依存性の一例を示す図である。
【図２１】開口アレイ層の構成例を示す図である。
【図２２】ミラー部における透過率の波長依存性の他の例を示す図である。
【図２３】開口部における透過率の波長依存性の他の例を示す図である。
【図２４】開口部における透過率の入射角依存性の他の例を示す図である。
【図２５】開口部における透過率の入射角依存性の他の例を示す図である。
【図２６】ミラー部における透過率の入射角依存性の他の例を示す図である。
【図２７】ミラー部における透過率の波長依存性の他の例を示す図である。
【図２８】開口部における透過率の波長依存性の他の例を示す図である。
【図２９】光源ユニットの一例を示す縦断面図である。
【図３０】光源ユニット１からの出射光の出射角度と出射強度との関係を示す図である。
【図３１】間隙のない光源ユニットにおける、開口アレイ層に形成される開口部の周期の設定例を説明するための図である。
【図３２】開口部のピッチと角度幅の関係を示す図である。
【図３３】間隙のある光源ユニットにおける、開口アレイ層に形成される開口部の周期の設定例を説明するための図である。
【図３４】開口部のピッチと角度幅の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
【００１７】
図１は、本発明の第一の実施形態の画像表示装置の構成を示すブロック図である。図１において、画像表示装置は、プロジェクタであり、光源ユニット１と、投射部２とを有する。
【００１８】
光源ユニット１は、光を出射する。
【００１９】
投射部２は、光源ユニット１からの出射光を、映像信号に応じて変調してスクリーン１００に投写することで、映像信号に応じた画像をスクリーン１００上に表示する表示部である。
【００２０】
より具体的には、投射部２は、空間光変調部３と、投射光学系４とを含む。空間光変調部３は、例えば、液晶ＬＶなどの空間変調素子であり、光源ユニット１からの出射光を映像信号に応じて変調して出射する。投射光学系４は、例えば、レンズなどの光学系であり、空間光変調部３からの出射光をスクリーン１００に投射して、映像信号に応じた映像をスクリーン１００上に表示する。
【００２１】
図２は、本実施形態の光源ユニット１の構成を模式的に示す断面図である。光源ユニット１において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示することが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。
【００２２】
図２では、光源ユニット１は、サブマウント層１０１上に実装されている。また、光源ユニット１は、反射層１１と、発光部１２と、開口アレイ層１３と、角度変換部１４と、電極パッド１５および１６とを含む。
【００２３】
反射層１１は、サブマウント層１０１の上に実装される。反射層１１の一部の領域上には、発光部１２が形成され、反射層１１の別の領域上には、電極パッド１５が形成されている。発光部１２の一部の領域上には、開口アレイ層１３が形成され、発光部１２の別の領域上には、電極パッド１６が形成されている。開口アレイ層１３の上には、角度変換部１４が形成されている。なお、電極パッド１５および１６は、不図示の外部電極と電気的に接続されている。
【００２４】
また、発光部１２は、ｐ型半導体層１２Ａと、活性層１２Ｂと、ｎ型半導体層１２Ｃとを有する。活性層１２Ｂは、ｐ型半導体層１２Ａおよびｎ型半導体層１２Ｃの間に設けられる。より具体的には、ｐ型半導体層１２Ａ、活性層１２Ｂおよびｎ型半導体層１２Ｃの順番で反射層１１上に積層されている。
【００２５】
したがって、開口アレイ層１３は、活性層１２Ｂに対して反射層１１の反対側に設けられていることになる。
【００２６】
反射層１１は、発光部１２から出射された光を発光部１２側に反射する。
【００２７】
発光部１２には、外部電源から電極パッド１５および１６を介して電流が供給され、その電流に応じて、発光部１２から光が発生する。より具体的には、外部電源から電極パッド１５および１６を介して、ｐ型半導体層１２Ａとｎ型半導体層１２Ｃとの間に電圧が印加され、それらの間に電流が流れると、活性層１２Ｂにて光が発生する。すなわち活性層１２Ｂは光を発生させる発光層として機能する。
【００２８】
開口アレイ層１３は、発光部１２から出射された光を反射するミラー部１３Ｅに、開口部１３Ｆが設けられた構成を有する。開口部１３Ｆは、例えば、図３で示すように、開口アレイ層１３の面内において、２次元に周期的な正方格子状に配置されている。なお、開口部１３Ｆは、正方格子状ではなく、三角格子状に配置されていても良い。三角格子状に配置することにより、正方格子状に比べて、各開口部１３Ｆの面積は同じであっても、開口アレイ層１３の面積に対する開口部１３Ｆの面積（開口率）を大きくすることができる。また開口部１３Ｆの形状は、図３に示すような長方形状ではなく、円形状や多角形状でも良い。
【００２９】
開口部１３Ｆは、発光部１２からの光のうち、所定の偏光方向の偏光成分の光を透過し、その所定の偏光方向と略直交する偏光成分の光を反射する。以下、所定の偏光方向の偏光成分の光を第一方向の偏波と称し、所定の偏光方向と略直交する偏光成分の光を第二方向の偏波と称する。
【００３０】
開口アレイ層１３は、基板と金属膜で形成される。より具体的には、図４で示すように、開口アレイ層１３のミラー部１３Ｅにおける金属層１３Ｇの材料および厚さと、開口部１３Ｆにおける金属層１３Ｇの材料および厚さとが、互いに同じであり、そして、開口部１３Ｆは、金属膜が面内に一次元に周期的に配列していることが望ましい。金属層１３Ｇの材料としては、金、銀、銅またはアルミニウムなどが用いられる。
【００３１】
また、開口アレイ層は、誘電体多層膜で形成されていても良い。より具体的には、図５、図６で示すように、開口アレイ層１３のミラー部１３Ａにおける誘電体多層膜の各層の材料および厚さと、開口部１３Ｂにおける誘電体多層膜の各層の材料および厚さとが、互いに同じであり、そして、開口部１３Ｂの各層は、その各層の面内に一次元の周期的な凹凸構造を有することが望ましい。なお、図６では、開口アレイ層１３では、屈折率が互いに異なる高屈折率層１３Ｃおよび低屈折率層１３Ｄの２つの誘電体材料が用いられているが、３種類以上の誘電体材料が用いられてもよい。また、開口部１３Ｂの周期構造の断面は、図６に示すような鋸歯構造に限らない。誘電体多層膜で形成される開口アレイ層１３は、金属膜で形成される開口アレイ層１３と比べて、ミラー部１３Ａまたは開口部１３Ｂに入射した光に対する吸収率が低いため、ミラー部１３Ａの反射率、開口部１３Ｂの第一方向の偏波に対する透過率および開口部１３Ｂの第二方向の偏波に対する反射率が高く、発光部１２で発生した光を高い効率で外部に取り出すことができる。
【００３２】
以下では、開口アレイ層１３として誘電体多層膜を用いた場合について説明する。
【００３３】
角度変換部１４は、方向変換部とも呼ばれる。角度変換部１４は、開口部１３Ｂを透過した透過光（第一方向の偏波）の出射角度（進行方向）を変換して、その透過光の指向性を向上させて出射する。
【００３４】
より具体的には、角度変換部１４は、開口部１３Ｂのそれぞれに対応した複数のレンズが並設されたレンズアレイで形成される。ここで、開口部１３Ｂは、自身と対応したレンズの焦点位置に配置されている。各レンズは、自身と対応した開口部１３Ｂを透過した光の指向性を向上する。レンズアレイとしては、例えば、ＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary  Metal  Oxide  Semiconductor）イメージセンサに使用されている数ミクロン周期のマイクロレンズアレイを使用することができる。
【００３５】
なお、開口部１３Ｂの大きさがある程度以下であれば、開口部１３Ｂからの透過光は点光源からの光とみなすことができるため、レンズアレイを用いることで、透過光の指向性を向上させることが可能になる。
【００３６】
以下、光源ユニット１の動作について説明する。
【００３７】
外部電極から電極パッド１５および１６を介して、ｐ型半導体層１２Ａとｎ型半導体層１２Ｃとの間に電圧が印加され、これらの間に電流が流れると、活性層１２Ｂにて光が発生する。なお、活性層１２Ｂにて発生した光には、様々な方向に向かう方向成分が含まれる。また、活性層１２Ｂにて発生した光は、無偏光光である。
【００３８】
活性層１２Ｂにて発生した光のうちの一部は、開口アレイ層１３に向けて出射される。開口アレイ層１３のミラー部１３Ａに入射した光は、反射層１１に向けて反射される。また、開口アレイ層１３の開口部１３Ｂに入射された光の第一方向の偏波（例えば、ＴＭ波（Transverse  Magnetic  Wave））は透過し、第二方向の偏波（例えば、ＴＥ波（Transverse  Electric  Wave））は反射層１１に向けて反射される。ここで、偏光子として作用する開口部１３Ｂに形成された凹凸構造の溝方向（図５におけるＹ軸方向）が光学軸であり、その光学軸に垂直な方向（図５におけるＸ軸方向）に偏光成分を有する偏波がＴＭ波であり、光学軸に平行な方向に偏光成分を有する偏波がＴＥ波である。
【００３９】
活性層１２Ｂにて発生した光のうちの他の一部と、開口アレイ層１３で反射された光は、反射層１１で反射されて開口アレイ層１３に入射する。
【００４０】
光は、反射層１１と開口アレイ層１３との間で反射を繰り返すうちに、偏光方向と開口アレイ層１３への入射位置が変化して、最終的には開口部１３Ｂを透過する。
【００４１】
開口部１３Ｂを透過した光は、偏光光（第一方向の偏波）となっている。この透過光は、角度変換部１４にて指向性が向上されて出射される。
【００４２】
以上説明したように、本実施形態では、活性層１２Ｂは、光を発生する。反射層１１は、活性層１２Ｂからの光を反射する。開口アレイ層１３は、活性層１２Ｂに対して反射層１１の反対側に設けられる。また、開口アレイ層１３は、活性層１２Ｂからの光を反射するミラー部１３Ａと、その光のうち所定の偏光方向の偏光成分の光を透過し、その所定の偏光方向と直交する偏光成分の光を反射する開口部１３Ｂとを有する。角度変換部１４は、開口部１３Ｂを透過した光の進行方向を変換して出射する。
【００４３】
この場合、開口部１３Ｂから所定の偏光方向の偏光成分の光が透過され、その透過された光の進行方向が変換されて出射される。
【００４４】
したがって、開口部１３Ｂからのみ光が出射されることにより、開口アレイ層１３から出射する光のエテンデュが小さくなるため、角度変換部１４にて光の指向性を向上させることができる。また、開口部１３Ｂからは所定の偏光方向の光のみが出射されるので、光源ユニット１から偏光光を出射させることができる。したがって、指向性の高い偏光光を出射することが可能になる。
【００４５】
また、光のエテンデュを小さくするための開口としての機能と、偏光光を出射するための偏光子としての機能とを一つの素子（開口部１３Ｂ）で実現できるため、光源ユニット１の小型化および低コスト化を図ることが可能になる。
【００４６】
次に第二の実施形態について説明する。
【００４７】
図７は、本発明の第二の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図７で示された光源ユニットは、図２に示した光源ユニットと比べて、角度変換部１４の変わりに角度変換部２４を含む点が異なる。
【００４８】
角度変換部２４は、方向変換部とも呼ばれる。角度変換部２４は、角度変換部１４と同様に、開口部１３Ｂを透過した光の出射角度（進行方向）を変換して、その透過光の指向性を向上させて出射する。
【００４９】
また、角度変換部２４は、角度変換部１４と異なり、開口部１３Ｂのそれぞれに対応した複数のテーパー円柱が並設されたテーパー円柱アレイで形成される。ここで、開口部１３Ｂは、自身と対応するテーパー円柱の中心を取る直線上に配置されている。各テーパー円柱は、自身と対応した開口部１３Ｂを透過した光の指向性を向上する。なお、テーパー円柱は、上面および下面のそれぞれの円の大きさが異なり、側面にテーパーを有するものである。
【００５０】
本実施形態でも、第一の実施形態と同様な効果が得られる。また、角度変換部２４は、レンズを有する角度変換部１４よりも作成が容易であるので、光源ユニットをより簡単に作成することができるという効果もある。
【００５１】
次に第三の実施形態について説明する。
【００５２】
図８は、本発明の第三の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図８で示された光源ユニットは、図２で示した光源ユニットと比べて、発光部１２と開口アレイ層１３との間に間隙３１が設けられている点が異なる。
【００５３】
間隙３１が設けられていても、開口アレイ層１３および角度変換部１４は、第一の実施形態と同様な機能を果たすため、図８で示された光源ユニットは、第一の実施形態と同様な機能を果たす。
【００５４】
本実施形態でも、第一の実施形態と同様な効果が得られる。また、開口アレイ層１３および角度変換部１４を、他の各層と一体成型する必要がないため、光源ユニット１の作成を容易に行うことが可能になる。
【００５５】
次に第四の実施形態について説明する。
【００５６】
図９は、本発明の第四の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図９で示された光源ユニットは、図２で示した光源ユニットと比べて、反射層１１の表面に、光の反射方向を変換するための角度変換構造４１が備わっている点が異なる。
【００５７】
角度変換構造４１は、例えば、鏡面で形成された微細な１次元の凹凸構造や、２次元の凹凸構造、粗面構造で形成され、活性層１２Ｂ側からの光を拡散反射させることで、光の反射方向が変換される。
【００５８】
本実施形態でも、第一の実施形態と同様な効果が得られる。また、例えば、活性層１２Ｂにおけるミラー部１３Ａの直下の位置で発生され、反射層１１に略垂直に入射された光などが、反射層１１および開口アレイ層１３の間を反射する反射回数を軽減することが可能になる。したがって、反射による光の減衰を軽減することが可能になる。
【００５９】
次に第五の実施形態について説明する。
【００６０】
図１０は、本発明の第五の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図１０で示された光源ユニットは、図２で示した光源ユニットと比べて、ｎ型半導体層１２Ｃの表面に、透過した光の進行方向を変換するための角度変換構造４２が備わっている点が異なる。
【００６１】
角度変換構造４２は、例えば、ｎ型半導体層１２Ｃとは異なる屈折率を有する透明な材質から構成され、ｎ型半導体層１２Ｃの面内方向に、１次元又は２次元の凹凸構造、粗面構造により形成される。また、角度変換構造４２とｎ型半導体層１２Ｃとの屈折率の違いにより、角度変換構造４２を透過した光は、散乱、屈折または回折して、光の進行方向が変換される。
【００６２】
本実施形態でも、第一の実施形態と同様な効果が得られる。また、例えば、活性層１２Ｂにおけるミラー部１３Ａの直下の位置で発生され、反射層１１に略垂直に入射された光などが、反射層１１および開口アレイ層１３の間を反射する反射回数を軽減することが可能になる。したがって、反射による光の減衰を軽減することが可能になる。
【００６３】
次に第六の実施形態について説明する。
【００６４】
図１１は、本発明の第六の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図１１で示された光源ユニット１は、図２で示した光源ユニットと比べて、発光部１２および開口アレイ層１３の間に偏光変換層５１をさらに含む点が異なる。
【００６５】
偏光変換層５１は、光を透過するとともに、その透過した光の偏光状態を変化させる素子で、例えば、１／４波長板または偏光解消板が用いられ、複屈折性を有する透明材料などで形成される。
【００６６】
偏光変換層５１として１／４波長板を用いた場合、活性層１２Ｂから出射して偏光変換層５１を透過して開口部１３Ｂに入射した光のうち、第一方向の偏波は開口部１３Ｂを透過し、第二方向の偏波は開口部１３Ｂで反射される。開口部１３Ｂで反射された第二方向の偏波は、偏光変換層５１を透過して円偏光に変換され、反射層１１で反射され、再度偏光変換層５１を透過し第一方向の偏波に変換される。この変換された第一の偏波のうち、開口部１３Ｂに入射した光は、開口部１３Ｂを透過する。このように、偏光変換層５１として１／４波長板を用いることで、活性層１２Ｂから出射された光が光源ユニット１から出射されるまでの、光源ユニット１内での反射回数を少なくすることができるため、反射による光の減衰を軽減することが可能になる。
【００６７】
また、偏光変換層５１として偏光解消層を用いた場合、偏光変換層５１を透過した光は無偏光光となる。活性層１２Ｂから出射して偏光変換層５１を透過して開口部１３Ｂに入射した光のうち、第一方向の偏波は開口部１３Ｂを透過し、第二方向の偏波は開口部１３Ｂで反射される。開口部１３Ｂで反射された第二方向の偏波は、偏光変換層５１を透過して無偏光光に変換され、反射層１１で反射され、再度偏光変換層５１を透過し、開口アレイ層１３に入射する。開口アレイ層１３の開口部１３Ｂに入射した光のうち、第一方向の偏波は開口部１３Ｂを透過し、第二方向の偏波は開口部１３Ｂで反射される。このように、偏光変換層５１として偏光解消板を用いることで、活性層１２Ｂから出射された光が光源ユニット１から出射されるまでの、光源ユニット１内での反射回数を、偏光変換層５１を用いない場合よりも少なくすることができるため、反射による光の減衰を軽減することが可能になる。
【００６８】
次に第七の実施形態について説明する。
【００６９】
図１２は、本発明の第七の実施形態の光源ユニットの構成を模式的に示す断面図である。図１２で示された光源ユニット１は、図２で示した光源ユニットと比べて、活性層１２Ｂおよび開口アレイ層１３の間に蛍光体６１を含む点が異なる。
【００７０】
蛍光体６１は、活性層１２Ｂから出射された光を吸収して蛍光を発し、光を発生させる発光層として機能する。開口アレイ層１３のミラー部１３Ａは、蛍光体６１にて発生した蛍光を反射する。また、開口アレイ層１３の開口部１３Ｂは、蛍光体６１にて発生した蛍光のうち、所定の偏光方向の偏光成分の光を透過し、その所定の偏光方向と略直交する偏光成分の光を反射する。
【００７１】
本実施形態では、第一の実施形態と同様な効果に加えて、蛍光体６１に応じて、所望の色の光を出射することができるという効果を有する。
【００７２】
次に、開口アレイ層１３の構成例について説明する。
【００７３】
以下、開口アレイ層１３の構成例として、開口アレイ層１３が、ガラスで形成された基板層１３Ｈに、アルミニウムで形成された金属層１３Ｇが積層されている場合について説明する。なお、金属層１３Ｇの厚さは１１０ｎｍであり、開口部１３Ｆの金属膜１３Ｇの周期は１４０ｎｍ、デューティ比は０．３であるとする。
【００７４】
図１３は、開口部１３Ｆの光学軸（図３におけるＹ軸方向）に垂直な面内（図３におけるＸＺ面内）で回転する入射光（ＴＥ波に対してＳ偏光となり、ＴＭ波に対してＰ偏光となる光）に対する透過率の入射角依存性を示す図であり、図１４は、開口部１３Ｆの光学軸及び開口アレイ層１３に対して垂直な直線（図３におけるＺ軸）に平行な面内（図３におけるＹＺ面内）で回転する入射光（ＴＥ波に対してＰ偏光となり、ＴＭ波に対してＳ偏光となる光）に対する透過率の入射角依存性を示す図である。なお、図１３および図１４では、入射光の波長を４６０ｎｍとしている。また、図１３および図１４では、ＴＥ波に対する透過率を実線で表し、ＴＭ波に対する透過率を点線で表している。
【００７５】
図１３および図１４で示されたように、開口部１３Ｂは、入射角が０°から約６０°の範囲で入射する入射光に対して偏光子として機能する。
【００７６】
また、図１５は、開口アレイ層１３のミラー部１３Ａの透過率の入射角依存性を示す図である。なお、図１５では、入射光の波長を４６０ｎｍとしている。また、ミラー部１３Ａには光学軸がないため、ＴＥ波およびＴＭ波を区別していない。また、図１５では、Ｐ偏光光に対する透過率を実線で表し、Ｓ偏光光に対する透過率を点線で表しているが、いずれの偏光に対する透過率もゼロであるため、軸線と重なっている。
【００７７】
図１５で示されたように、ミラー部１３Ｅは、入射角度によらず、入射光に対して反射素子として機能する。
【００７８】
また、金属層１３Ｇとしてアルミニウムを用いた開口アレイ１３において、ミラー部１３Ｅおよび開口部１３Ｆの透過率の入射角依存性は可視光の波長範囲の中でほとんど変化しない。
【００７９】
次に、開口アレイ層１３の構成例として、開口アレイ層１３が、Ｎｂ２Ｏ５で形成された高屈折率層と、ＳｉＯ２で形成された低屈折率層とが交互に１０周期分（つまり、２０層分）積層されている場合について説明する。なお、各高屈折率層の厚さは１００ｎｍであり、各低屈折率層の厚さが１３６ｎｍであるとする。
【００８０】
先ず、開口アレイ層１３における透過率の波長依存性について説明する。
【００８１】
図１６は、開口アレイ層１３が上記の構成を有する場合における、ミラー部１３Ａの透過率の、ミラー部１３Ａに垂直に入射される入射光の波長依存性を示す図であり、図１７は、開口アレイ層１３が上記の構成を有する場合における、開口部１３Ｂの透過率の、開口部１３Ｂに垂直に入射される入射光の波長依存性を示す図である。
【００８２】
なお、図１７では、ＴＥ波に対する透過率を実線で表し、ＴＭ波に対する透過率を点線で表している。また、図１６では、ミラー部１３Ａには光学軸がないため、ＴＥ波およびＴＭ波の区別はない。
【００８３】
図１６で示されたように、ミラー部１３Ａは、入射光の波長が４４０ｎｍ以上であれば、光を反射する反射素子として機能する。また、図１７で示されたように、開口部１３Ｂは、入射光の波長が４４０ｎｍ〜４７０ｎｍ程度であれば、偏光子として機能する。すなわち、開口部１３Ｂは、ＴＥ波の光を反射し、ＴＭ波の光を透過させる。
【００８４】
続いて、開口アレイ層１３における透過率の入射角依存性について説明する。
【００８５】
図１８は、開口部１３Ｂの光学軸（図５におけるＹ軸方向）に垂直な面内（図５におけるＸＺ面内）で回転する入射光（ＴＥ波に対してＳ偏光となり、ＴＭ波に対してＰ偏光となる光）に対する透過率の入射角依存性を示す図であり、図１９は、開口部１３Ｂの光学軸及び開口アレイ層１３に対して垂直な直線（図５におけるＺ軸）に平行な面内（図５におけるＹＺ面内）で回転する入射光（ＴＥ波に対してＰ偏光となり、ＴＭ波に対してＳ偏光となる光）に対する透過率の入射角依存性を示す図である。なお、図１８および図１９では、入射光の波長を４６０ｎｍとしている。また、図１８および図１９では、ＴＥ波に対する透過率を実線で表し、ＴＭ波に対する透過率を点線で表している。
【００８６】
図１８および図１９で示されたように、開口部１３Ｂは、入射角が０°〜１５°で入射する入射光に対して偏光子として機能する。
【００８７】
また、図２０は、開口アレイ層１３のミラー部１３Ａの透過率の入射角依存性を示す図である。なお、図２０では、入射光の波長を４６０ｎｍとしている。また、ミラー部１３Ａには光学軸がないため、ＴＥ波およびＴＭ波を区別していない。また、図２０では、Ｐ偏光光に対する透過率を実線で表し、Ｓ偏光光に対する透過率を点線で表している。
【００８８】
図２０で示されたように、ミラー部１３Ａは、入射角が０°〜４５°で入射する入射光に対して反射素子として機能する。
【００８９】
また、ミラー部１３Ａおよび開口部１３Ｂの透過率の入射角依存性や波長依存性は、開口アレイ層１３の構成に応じて変化する。このため、開口アレイ層１３の構成を適宜調整することで、ミラー部１３Ａが反射素子として機能し、開口部１３Ｂが偏光子として機能する入射光の波長および入射角の範囲を、上記の構成例よりも広くすることができる。
【００９０】
図２１は、開口アレイ層１３の別の例を示す図である。図２１で示した開口アレイ層１３の場合、ミラー部１３Ａおよび開口部１３Ｂの透過率の入射角依存性や波長依存性は、図２２〜図２６のようになる。
【００９１】
具体的には、図２２は、ミラー部１３Ａの透過率の、ミラー部１３Ａに垂直に入射される入射光の波長依存性を示す図であり、図２３は、開口部１３Ｂの透過率の、開口部１３に垂直に入射される入射光の波長依存性を示す図である。また、図２４は、開口部１３Ｂの光学軸に垂直な面内で回転する入射光に対する透過率の入射角依存性を示す図であり、図２５は、開口部１３Ｂの光学軸及び開口アレイ層１３に対して垂直な直線に平行な面内で回転する入射光に対する透過率の入射角依存性を示す図である。図２６は、ミラー部１３Ａの透過率の入射光の入射角依存性を示す図である。なお、図２４〜図２６では、入射光の波長を４６０ｎｍとしている。また、図２３〜図２５では、ＴＥ波に対する透過率が実線で表され、ＴＭ波に対する透過率が点線で表されている。さらに、図２６では、Ｐ偏光光に対する透過率を実線で表し、Ｓ偏光光に対する透過率を点線で表しているが、Ｓ偏光光に対する透過率はゼロであるため、軸線と重なっている。
【００９２】
図２２および図２３で示されたように、開口アレイ層１３に垂直に入射される入射光に対しては、その入射光の波長が３７０ｎｍ〜４８０ｎｍの場合に、ミラー部１３Ａは反射素子として機能し、開口部１３Ｂは偏光子として機能する。また、図２４〜図２６で示されたように、ミラー部１３Ａは、入射角度が０°〜６５°の入射光に対して反射素子として機能し、開口部１３Ｂは、入射角度が０°〜３０°の入射光に対して偏光子として機能する。
【００９３】
したがって、図２１で構成を示した開口アレイ層１３では、ミラー部１３Ａが反射素子として機能し、開口部１３Ｂが偏光子として機能する、入射光の波長および入射角の範囲がより広くなっていることが分かる。
【００９４】
また、開口アレイ層１３の構成を適宜調整することで、開口アレイ層１３を透過する光の波長を調整することもできる。
【００９５】
例えば、開口アレイ層１３が、Ｎｂ２Ｏ５で形成された高屈折率層と、ＳｉＯ２で形成された低屈折率層とが交互に８周期分（つまり、１６層分）積層され、各高屈折率層の厚さが１３６ｎｍであり、各低屈折率層の厚さが１３６ｎｍである場合、ミラー部１３Ａの透過率の、ミラー部１３Ａに垂直に入射される入射光の波長依存性は、図２７で示されたようになり、開口部１３Ｂの透過率の、開口部１３Ｂに垂直に入射される入射光の波長依存性は、図２８で示されたようになる。
【００９６】
図２７および図２８で示されたように、入射光の波長が５１０ｎｍ〜５４０ｎｍの場合、ミラー部１３Ａは反射素子として機能し、開口部１３Ｂは偏光子として機能する。
【００９７】
次に、光源ユニットの指向性の例について説明する。
【００９８】
図２９は、光源ユニットの一例を示す縦断面図である。図２９では、光源ユニットを、図７で示された、角度変換部２４を備えた光源ユニットとしている。
【００９９】
図２９では、開口部１３Ｂが周期的に並設されており、隣り合う開口部１３Ｂの間の中心間隔を、０．８μｍとしている。また、角度変換部２４では、開口アレイ層１３を覆う厚さが均一（０．１８μｍ）の層の上に、テーパー円柱アレイが形成されている。テーパー円柱アレイの各テーパー円柱は、自身と対応する開口部の上に中心を合わせて形成されている。また、各テーパー円柱のテーパー角は、４５°であり、各テーパー円柱の上面の円の直径は０．２５μｍである。また、開口部１３Ｂの幅をＷとする。
【０１００】
発光部１２にて発生された光の光量に対する、開口部１３から出射される光の光量の割合である取出し効率は、開口部１３Ｂの幅Ｗを大きくするほど高くなる。これは、開口部１３Ｂの幅が高くなるほど、反射層１１および開口アレイ層１３にて光が反射する反射回数を少なくすることができるためである。一方、開口部１３の幅Ｗが小さいほど、角度変換部２４にて光源ユニット１からの出射光の指向性を向上させることができる。つまり、取出し効率と指向性はトレードオフの関係にある。
【０１０１】
図２９で示した光源ユニットにおいて、開口部１３の幅Ｗを０．２μｍ程度にした場合、光源ユニット１からの出射光の出射角度と、出射強度との関係は、図３０で示したようになる。また、開口アレイ層１３および角度変換部１４が無い場合の出射角度と出射強度の関係も図３０に併せて示す。図３０の縦軸は、０°方向への出射強度で規格化している。なお、開口アレイ層１３は、上記の構成と同じとし、発光部１２にて発生された光の波長を４４５ｎｍとしている。開口アレイ層１３および角度変換部１４が無い場合、発光強度分布はランバート分布となる。図３０から分かるように、開口アレイ層１３が有る場合は、出射光が±３０°内に集中しており、開口アレイ層１３および角度変換部１４が無い場合に比べて、出射光の指向性が向上している。
【０１０２】
次に、開口アレイ層１３に形成される開口部１３Ｂの周期及び大きさの設定例について説明する。
【０１０３】
活性層１２Ｂにて発生した光は、反射層１１で反射することなく、直接開口部１３Ｂに入射されることが望ましいが、実際には、反射される光がある。反射回数が多くなると、反射層１１での吸収により光が減衰し、光源ユニット１の発光効率が低くなる。以下では、反射層１１で１回反射して開口部１３Ｂに入射するのに適した、開口アレイ層１３の構成例について説明する。
【０１０４】
図３１は、反射層１１で１回反射して開口部１３Ｂに入射するのに適した、開口アレイ層１３に形成される開口部１３Ｂの周期の設定例を説明するための図であり、発光部１２と開口アレイ層１３との間に間隙のない光源ユニットが示されている。
【０１０５】
活性層１２Ｂの中心からは開口アレイ層１３までの距離をＬ１とし、反射層１１の表面から開口アレイ層１３までの距離をＬ２、開口部１３Ｂの周期をＰ（Pitch）、開口部１３Ｂの大きさをＷとする。また、発光点の、活性層１２の面内の位置は、光が１回だけ反射して出射することが最も困難となる、ミラー部１３の形成部の中心Ａとしている。
【０１０６】
図３１に示すように、発光点で発生し、１回反射で出射する光のうち、最短距離で出射する光と最長距離で出射する光のなす角度幅δθが大きいほど、１回反射で出射する光は多くなる。各出射光の交点は、ミラー部１３Ａの中心Ａから２×Ｌ２＋Ｌ１の距離にある。
【０１０７】
図３２は、図３１で示した光源ユニットにおいて、Ｌ１＝２．３μｍ、Ｌ２＝２．４μｍ、周期Ｐに対する開口部１３Ｂの幅Ｗの割合Ｗ／Ｐを０．２５としたときの、開口部１３ＢのピッチＰと角度幅δθの関係を示す図である。この図より、角度幅δθを最大（約１４．５°）とするためには、ピッチＰを約１４μｍとすればよいことが分かる。
【０１０８】
また、図３３は、反射層１１で１回反射して開口部１３Ｂに入射するのに適した、開口アレイ層１３に形成される開口部１３Ｂの周期の設定例を説明するための図であり、発光部１２と開口アレイ層１３との間に間隙３１が設けられた光源ユニットが示されている。
【０１０９】
図３３では、図３１の場合と同様に、活性層１２Ｂの中心から開口アレイ層１３までの距離をＬ１とし、反射層１１の表面から開口アレイ層１３までの距離をＬ２、開口部１３Ｂの周期をＰ（Pitch）、開口部１３Ｂの大きさをＷとする。また、発光点の、活性層１２の面内の位置は、光が１回だけ反射して出射することが最も困難となる、ミラー部１３の形成部の中心Ａとしている。
【０１１０】
図３３に示すように、発光点で発生し、１回反射で出射する光のうち、最短距離で出射する光と最長距離で出射する光のなす角度幅δθが大きいほど、１回反射で出射する光は多くなる。各出射光の交点は、ミラー部１３Ａの中心Ａから２×Ｌ２＋Ｌ１の距離にある。
【０１１１】
図３４は、図３３で示した光源ユニットにおいて、Ｌ１＝９９．９μｍ、Ｌ２＝１００μｍ、周期Ｐに対する開口部１３Ｂの幅Ｗの割合Ｗ／Ｐを０．２５としたときの、開口部１３ＢのピッチＰと角度幅δθの関係を示す図である。この図より、角度幅δθを最大（約１４．５°）とするためには、ピッチＰを約６００μｍとすればよいことが分かる。
【０１１２】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は、上記実施形態に限定されたものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
【０１１３】
画像表示装置は、スクリーン１００を備え、光をスクリーン１００に背面側から投射するリアプロジェクタでもよいし、プロジェクタ以外の画像表示装置でもよい。
【０１１４】
この出願は、２０１０年５月２１日に出願された日本出願特願２０１０−１１７２４１号公報を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
2011145504.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2011145504.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【国際調査報告】
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2011145504.tif 000038
2011145504.tif 000039
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